Use of non-thermal plasma associated with enzymatic hydrolysis to obtain xylo-oligosaccharides (XOS) from brewery by-product

Abstract

A valorização de resíduos tem sido muito explorada nos últimos anos, permitindo a obtenção de produtos com valor agregado. Nesse sentido, os xilo-oligossacarídeos (XOS) se apresentam como uma proposta prebiótica, que pode ser obtida através de materiais lignocelulósicos (LCMs). Diversas estratégias podem ser adotadas para converter um LCM em XOS, dentre elas a combinação de pré-tratamento seguido de hidrólise enzimática. Neste trabalho, primeiramente, é feita uma revisão dos principais tópicos que envolvem a obtenção de xilo-oligossacarídeos. Posteriormente, foi realizado um estudo para determinar as melhores condições de aplicação de plasma não-térmico na deslignificação de resíduo cervejeiro, sendo avaliadas as principais alterações químicas, físico-químicas e morfológicas que ocorreram no material após a utilização deste pré-tratamento. As condições de hidrólise enzimática também foram estudadas para avaliar a conversão da xilana, contida na hemicelulose, em XOS. Por fim, foi avaliada a viabilidade de ampliação de escala e reutilização da enzima. A realização de uma revisão bibliográfica permitiu-nos identificar a inovação deste trabalho. Ao estudar a influência do plasma não-térmico como pré-tratamento do resíduo de cervejaria, foi possível concluir por meio da cinética exploratória que um tempo de apenas 5 minutos foi suficiente para deslignificar o material em cerca de 50% quando comparado ao material in natura, com algumas perdas nos teores de celulose e hemicelulose. A capacidade da enzima em converter hemicelulose em XOS foi explorada e, verificou-se que nas condições ótimas da enzima para pH e temperatura (6,0 e 50 ºC) o tempo de 48 horas, 1% de substrato e 2% de enzima foram as condições otimizadas, levando a produção a 750 mg XOS/g xilana. Neste trabalho, foi possível também aumentar em 25 vezes a escala laboratorial e reutilizar a enzima por duas vezes, por meio de membranas de ultrafiltração. Com isso, o presente trabalho apresenta um processo bastante promissor quando se pensa no enriquecimento da cadeia de biorrefinaria do subproduto da cervejaria.

Abstract: The recovery of waste has been much explored in recent years, allowing the production of value-added products. In this sense, xylooligosaccharides (XOS) are a prebiotic proposal obtained through lignocellulosic materials (LCMs). Several strategies can be adapted to convert an LCM to XOS, among them the combination of pretreatment followed by enzymatic hydrolysis. This work reviews the main topics involving obtaining xylooligosaccharides from brewer's residue pretreated with non-thermal plasma. Additionally, a study to determine the best application conditions of non-thermal plasma in the delignification of brewer's residue was conducted, evaluating the main chemical, physical-chemical and morphological changes that occurred in the material after the use of this process. Enzymatic hydrolysis conditions were also studied to assess the conversion of xylan contained in hemicellulose into XOS. Finally, the feasibility of scaling up and reusing the enzyme under optimized conditions was evaluated. First, performing a literature review allowed us to identify the novelty of this work. When studying non-thermal plasma as a pretreatment in brewery waste, exploratory kinetics allowed us to verify that in a time of just 5 minutes, it was enough to delignify the material by about 50% through chemical characterization of the material. After exploratory kinetics, to evaluate the ability of the enzyme to convert hemicellulose into XOS, it was found that the time of 48 hours, in the conditions of 1% substrate, 2% enzyme, pH 6.0, and temperature of 50 °C was the optimized condition leading production to 750 mg XOS/g xylan. In this work, it was possible to scale up a 25-fold increase in laboratory scale and reuse the enzyme by 2-fold. With that, this work presents a good process when considering the enrichment of the biorefinery chain of the brewery by-product.